國
立
交
通
大
學
機械工程學系
D6AC 鋼經旋形加工與電子束銲接之製程研究
The Study of Flow-formed and Electron Beam-welded D6AC Steel研 究 生：陳天一
指導教授：周長彬 教授
i
D6AC 鋼經旋形加工與電子束銲接之製程研究
研究生：陳天一 指導教授：周長彬 國立交通大學 機械工程研究所摘 要
本研究之主要目的為「探究 D6AC 超高強度鋼結合 65%減縮率之旋形 加工、電子束銲接兩項高精度加工法之管件製程研究」，將本身極具優質機 械性質的 D6AC 鋼材，結合了無縫、無屑、加工快速且高精度的旋形加工 技術，以及於真空環境中施銲、且銲後所產生之銲道極窄之電子束銲接， 期能研發出高品質的管件。 本研究在流程上首先為母材、旋形胚盂之製備，隨後進行試旋加工， 確立最佳參數後，再正式旋形加工，隨後進入試銲階段，待銲接參數確立 後，即正式銲接並研究銲後施予不同溫度回火所帶來的影響與改變，整個 實驗過程，每個階段前後均會加以量測試片之機械性質包含強度、硬度、 金相、破裂面或拉伸破斷面的顯微觀察其延性與脆性，隨不同加工參數所 呈現的趨勢，透過 XRD 量測其晶體結構等資訊，最後綜合各實驗階段之各 項結果，比較與分析後歸納出各個環節所需注意的重點。 結果顯示：首先母材經 900℃持溫 105 分鐘隨後空冷至室溫，並將其車 製加工為旋形胚盂，此時之旋胚雖經正常化熱處理，其硬度與強度數值仍 然過高，無法順利旋形出高旋形量，因此需再進行 620℃持溫 120 分鐘隨後 空冷至室溫之退火熱處理使其晶粒成長並更為軟化，硬度下降後即可順利 達成 65%減縮率之旋形加工。 旋形管件完成後，即對管件與管件之間進行不同射束電流大小之電子 束試銲，經分析後確立銲接參數，並正式銲接，隨後量測銲後未回火之管 件機械性質，發現銲後未回火，其銲道熔融區呈現硬脆、強度較低之特性， 拉伸試驗之試片斷裂處均在熔融區，且破斷面呈現脆性且具有些許微裂痕， 因此銲後回火成為銲後提升其機械性質之關鍵，銲後回火 350℃可獲得最高 抗拉強度，回火 550℃則可獲得最佳延伸率。 關鍵字：旋形加工、旋壓成型、電子束銲接、銲後回火、D6ACii
The Study of Flow-formed and Electron Beam-welded D6AC Steel
Student: Tian-Yi Chen Advisor: Chang-Ping Chou Department of Mechanical Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
The mechanical properties of D6AC tube have been flow-formed by 65 % reduction and welded by electron-beam. Their microstructural state, hardness, subsequently yield strength, ultimate tensile strength, and elongation were investigated.
We tried different parameters in flow-forming and EBW to find the D6AC tube with best mechanical properties. After flow-forming and EBW, we tempered the welded D6AC tubes from 250°C to 550°C, then we tried to find the effect of the mechanical properties with different tempering temperatures.
We found that increasing tempering temperatures from 250°C to 550°C resulted in decrease in the yield strength and ultimate tensile strength, and increase in percentage elongation remarkably. We also found that hardness average of fusion zone (FZ) decreased from 65.74HRC to 44.55HRC and heat-affected zone (HAZ) decreased from 55.47 HRC to
41.91HRC. EBW with a high energy input resulted in a seriously inadequate percentage
elongation of the weldment. In order to investigate microstructures under each set of experimental conditions; optical microscopy and scanning electron microscopy was employed to observe the HAZs and FZs view of weldment.
iii
誌 謝
本人的碩士生涯，兩年前於交通大學展開，跟隨在周長彬老師的師門 下，從一開始懵懵懂懂的對整個環境展開摸索，到現在碩士論文終於順利 付梓，心中除了對周老師、學長姐們、以及同學們滿懷的感謝之意外，兩 年來的碩士班生涯，也令本人深刻認知到學海的浩瀚，每當獲得新的知識， 就體會到自己仍對真理所知甚少，因此即使是在已通過口試之後的此時， 在這樣的想法趨使下，學生仍沒有停止學習的腳步，即使未來工作邁入人 生下一個階段亦然，如此的轉變，是求學期間諸位所上教授在課堂上對學 生的薰陶所產生的影響，同時特別感謝母校國立中山大學機械與機電工程 學系的嚴成文教授，在學生感到迷惘時熱心給予學生建議與抉擇的勇氣， 即使僅透過電話，也能確實感受到嚴老師對職業的熱忱、以及對後生晚輩 出發前往更多挑戰的殷切期望。 在此要祝福周老師與嚴老師身體健康，平安順心，亦期望老師們繼續 給予學生提攜與照顧。感謝深愛我的父母親，因為有你們的愛，讓我能安 心求學，同時生活不至匱乏，日後孩兒必定湧泉以報。遠超過兩年的時間 一路走來，感謝玉綪與本人珍貴的幾位知己伴我度過大小風浪，除表達感 謝之意，願友誼長存。iv
目 錄
摘要 ... i Abstract ... ii 誌謝 ... iii 目錄 ... iv 表目錄 ... viii 圖目錄 ... ix 第一章 簡介 ... 1 1-1 研究背景 ... 1 1-1-1 鋼材符合航太、軍事應用需求 ... 1 1-1-2 鋼材本身特性、價格 ... 1 1-1-3 旋形加工 ... 2 1-1-4 電子束銲接 ... 2 1-2 研究目的 ... 3 第二章 文獻回顧 ... 4 2-1 超高強度鋼 ... 4 2-1-1 高強度鋼與超高強度鋼 ... 4 2-1-2 種類與價格比較 ... 5 2-2 D6AC 中碳高強度低合金鋼 ... 6 2-2-1 鋼材介紹 ... 6 2-2-2 D6AC 銲接特性 ... 9 2-2-3 D6AC 熱處理特性 ... 11 2-2-4 研發與工程應用之發展情形 ... 14 2-3 旋形加工 ... 15 2-3-1 旋壓加工基本原理與種類 ... 15v 2-3-2 旋形加工之優良特性 ... 19 2-3-3 影響加工品質之加工參數 ... 21 2-3-4 材料本身之可旋性 ... 24 2-4 電子束銲接 ... 25 2-4-1 電子束技術 ... 25 2-4-2 電子束銲機設備簡介 ... 28 2-4-3 電子束銲接運作原理 ... 30 2-4-4 電子束銲接參數 ... 32 2-4-5 電子束銲接系統種類 ... 35 2-4-6 電子束銲接之優良特性及特殊限制 ... 39 第三章 實驗步驟 ... 42 3-1 實驗材料製備... 43 3-1-1 母材正常化熱處理 ... 43 3-1-2 實驗材料驗證 ... 44 3-2 旋坯製備階段... 44 3-3 流旋形加工階段 ... 46 3-3-1 旋形工具機台 ... 46 3-3-2 試旋階段 ... 47 3-3-3 旋形製程 ... 49 3-4 電子束銲接階段 ... 50 3-4-1 試銲階段 ... 50 3-4-2 電子束銲接階段 ... 50 3-4-3 電子束銲後熱處理階段 ... 51 3-5 機械性質試驗與分析階段 ... 52 3-5-1 微硬度量測及設備 ... 52
vi 3-5-2 拉伸試驗及設備 ... 52 3-5-3 金相觀察分析 ... 56 3-5-4 表面形貌與成分分析 ... 57 3-5-5 結晶結構分析 ... 59 第四章 結果與討論 ... 61 4-1 原材料與旋胚機械性質量測 ... 61 4-1-1 原材料化學成分分析 ... 61 4-1-2 微硬度量測 ... 63 4-1-3 金相觀察 ... 65 4-1-4 晶體結構 ... 67 4-1-5 小結 ... 68 4-2 試旋與旋形加工階段 ... 69 4-2-1 試旋破裂情形 ... 70 4-2-2 微硬度量測 ... 73 4-2-3 金相觀察 ... 78 4-2-4 晶體結構 ... 82 4-2-5 破裂面顯微結構 ... 83 4-2-6 小結 ... 87 4-2-7 試旋後所得改進辦法與後續旋形成果 ... 88 4-3 電子束銲接與銲後回火 ... 90 4-3-1 微硬度量測 ... 90 4-3-2 金相觀察 ... 92 4-3-3 拉伸試驗 ... 102 4-3-4 拉伸破斷面觀察 ... 104 4-3-5 小結 ... 111
vii
第五章 結論 ... 112 參考文獻 ... 114
viii
表 目 錄
表 1 針對 D6AC 之 SWOT 分析 ... 3 表 2 超高強度鋼類別與簡述[2] ... 5 表 3 D6AC 鋼與其他同類合金鋼之化學成分比較(wt.%)[1] ... 7 表 4 碳鋼添加合金元素之影響[1] ... 7 表 5 國際銲接研究中心針對銲接種類分法(IIW)[21] ... 9 表 6 於銲接過程防治冷裂縫與熱裂縫的方法 ... 10 表 7 D6AC 鋼材應用層面[2] ... 14 表 8 高低壓型電子束銲機特性與銲件品質之比較表 ... 36 表 9 EBW 工作艙真空度分類及特性比較 ... 37 表 10 電子束銲機之各種分類方式 ... 38 表 11 D6AC 胚管經粗車、精車加工後之規格 ... 44 表 12 第一次試旋形加工詳細參數 ... 48 表 13 胚管試旋資料表 ... 48 表 14 試銲階段之加工參數表 ... 50 表 15 電子束銲接之加工參數表 ... 50 表 16 D6AC 中碳低合金鋼化學成分表(w.t. %) ... 61 表 17 D6AC 原材料之微硬度量測值結果 ... 63 表 18 D6AC 旋胚之微硬度量測值結果 ... 64 表 19 D6AC 經 50%旋形量試旋後微硬度量測值 ... 74 表 20 D6AC 經 65%旋形量試旋後微硬度量測值 ... 75 表 21 D6AC 經 73%旋形量試旋後微硬度量測值 ... 76 表 22 未回火與回火 250°C 至 550°C 後各區硬度平均值表 ... 91 表 23 D6AC 銲後抗拉強度表 ... 103ix
圖 目 錄
圖 1 D6AC 之 TTT 恆溫變態曲線圖[24] ... 11 圖 2 彎旋形加工示意圖 圖 3 多道次加工示意圖 ... 16 圖 4 剪旋壓加工過程示意圖 ... 17 圖 5 流旋形加工示意圖 ... 18 圖 6 滾輪與材料接觸面形狀 ... 21 圖 7 流旋壓加工示意圖 ... 23 圖 8 電子鎗構造剖面圖[48] ... 26 圖 9 能束功率密度所對照之應用面。 ... 27 圖 10 電子束銲接設備示意圖[17] ... 28 圖 11 本研究使用之電子束銲接機外觀圖 ... 29 圖 12 電子束銲接機構圖[48] ... 30 圖 13 銲道熔融凝固過程示意圖[52] ... 31 圖 14 銲接方法之功率密度分佈圖[53] ... 33 圖 15 銲接艙真空壓力對銲道形狀和熔深之影響[54] ... 34 圖 16 真空度與常態化銲接深度之關係[54] ... 34 圖 17 不同種類之電子束銲接系統之銲道巨觀形狀比較[57] ... 35 圖 18 EBW 和 TIG 銲接之銲道形狀比較[54] ... 39 圖 19 銲道形狀之比較[54] ... 40 圖 20 異種材料銲接性[54] ... 41 圖 21 實驗流程圖 ... 42 圖 22 正常化熱處理流程圖 ... 43 圖 23 各種旋型加工量下 D6AC 旋坯之規格 ... 45 圖 24 臥式順流旋形冷作加工 ... 46 圖 25 50％、65％及 73%分段試旋加工示意圖 ... 48x 圖 26 退火熱處理流程圖 ... 49 圖 27 電子束銲後熱處理流程圖 ... 51 圖 28 標準拉伸試片 ASTM E370 於管件下料配置圖 ... 53 圖 29 標準拉伸試片 ASTM E370 規範製作尺寸圖 ... 53 圖 30 應力-應變曲線圖[18] ... 54 圖 31 拉伸試驗機 ... 55 圖 32 金相試片切割、樹脂鑲埋示意圖 ... 56 圖 33 場發射掃描式電子顯微鏡內部結構 ... 58 圖 34 場發射掃描式電子顯微鏡 ... 58 圖 35 X 光繞射原理示意圖[60] ... 60 圖 36 X 光繞射頻譜儀 ... 60 圖 37 能量色散 X 光譜儀進行 D6AC 成份分析 ... 62 圖 38 微硬度量測之打點示意圖 ... 63 圖 39 每片試片之微硬度量測打點示意圖(內外側均相同) ... 64 圖 40 D6AC 旋形胚盂之軸向金相顯微組織 ... 65 圖 41 D6AC 旋形胚盂之徑向金相顯微組織 ... 66 圖 42 軸向與徑向之 X 光繞射頻譜 ... 67 圖 43 不同旋形量加工所產生之裂痕 ... 70 圖 44 50%旋形量加工所產生之裂痕 ... 71 圖 45 65%旋形量加工所產生之裂痕 ... 71 圖 46 73%旋形量加工所產生之裂痕 ... 72 圖 47 每片試片之微硬度量測打點示意圖 ... 73 圖 48 未旋形與不同旋形量試旋後所得管件硬度值內外側比較 .. 77 圖 49 未施予旋形之 D6AC 胚盂金相顯微組織 ... 78 圖 50 50%旋形減縮率之 D6AC 管件金相顯微組織 ... 79
xi 圖 51 65%旋形減縮率之 D6AC 管件金相顯微組織 ... 80 圖 52 73%旋形減縮率之 D6AC 管件金相顯微組織 ... 81 圖 53 D6AC 旋胚經不同旋形量加工後之 X 光繞射頻譜 ... 82 圖 54 旋形量 50%之破斷面與選區放大觀察 ... 83 圖 55 旋形量 65%之破斷面與選區放大觀察 ... 84 圖 56 旋形量 73%之破斷面與選區放大觀察 ... 85 圖 57 旋形後退火熱處理參數 ... 88 圖 58 退火熱處理後達成之 65%旋形量管件 ... 89 圖 59 每片試片之微硬度量測打點示意圖 ... 90 圖 60 未回火與回火 250°C 到 550°C 後銲道各區微硬度比較 ... 91 圖 61 銲後未回火之銲道與各區放大觀察 ... 92 圖 62 銲後回火 250°C 之銲道與各區放大觀察 ... 94 圖 63 銲後回火 350°C 之銲道與各區放大觀察 ... 96 圖 64 銲後回火 450°C 之銲道與各區放大觀察 ... 98 圖 65 銲後回火 550°C 之銲道與各區放大觀察 ... 100 圖 66 D6AC 銲後未回火之拉伸破斷面顯微觀察 ... 106 圖 67 D6AC 銲後回火 250°C 之拉伸破斷面顯微觀察 ... 107 圖 68 D6AC 銲後回火 350°C 之拉伸破斷面顯微觀察 ... 108 圖 69 D6AC 銲後回火 450°C 之拉伸破斷面顯微觀察 ... 109 圖 70 D6AC 銲後回火 550°C 之拉伸破斷面顯微觀察 ... 110
1
第一章 簡 介
1-1 研 究 背 景
1-1-1 鋼 材 符 合 航 太 、 軍 事 應 用 需 求
D6AC 屬 於 中 碳 低 合 金 超 高 強 度 鋼 (Ultrahigh-Strength Low-Alloy
Steel)[1]，為 Ladish 公司所發展，被廣泛應用於飛機、火箭等處於惡劣使用 環境中之航太零組件上[2]，甚至在國防科技方面，因鋼材本身強度高之特 點，若被應用於火箭等用途，相較其他鋼材如 SAE 4130，可以減少彈身厚 度，並達到相同強度需求，可收增加內部載運量、降低殼體重量、增加飛 行距離之優勢，因此在國防軍事應用上亦頗具潛力[3,4]。 1-1-2 鋼 材 本 身 特 性 、 價 格
D6AC 鋼材屬中碳低合金鋼[5]，原材係經由大氣熔煉(Air melting)，再 施行真空電弧精煉(Vacuum arc remelting)而得[6]，此製程具純化效應，能使 材料品質提升，價格則相較同樣具有超高強度特性的的 C250 合金鋼便宜。 D6AC 具備高強度、高韌性之優良特性，其拉伸強度隨回火溫度高低而定， 強度可從 620MPa 至 2000MPa。
但 D6AC 在含水氣或腐蝕環境下對應力腐蝕裂縫與腐蝕疲勞較敏感[7]， 此現象和同為高強度鋼之 300M 鋼材相似。D6AC 與其他中碳鋼進行比較， 在冶金性質上相當類似於 AISI4340 與 4140，但 D6AC 之化學成分中，Mo 元素的含量高於 4340，故其硬化能優於 4340[8]。
一般強度越高的鋼鐵材料，對氫脆的敏感性越大，容易沿著沃斯田鐵 的晶界產生破壞[9]，雖然可用提高回火溫度的方式降低鋼鐵材料的氫脆敏 感性，但也降低了材料的強度。銲接後，銲道易因產生麻田散鐵等因素導 致降低銲道的強度與韌性等機械性質；加上 D6AC 銲接亦有冷裂與熱裂的
2 問題，因此在使用上必須採用清潔度高的方法，在些許的文獻中，已有採 用與本研究不同之加工法，以及採用電子束銲接[10,11]與雷射銲接[12]的相 關研究。 1-1-3 旋 形 加 工 旋形加工(Spinning)已廣泛的應用於一般機械工業、汽車工業及航太工 業等各種零件產品製造，是一種將板料、管料或經壓床、鍛造、鑄造、切 削等預先成形之軸對稱的工件，隨後將其置於心軸上旋轉，透過工具或滾 輪將其塑性加工成形的一種塑性無屑加工法，此法具有加工精度高、時程 短、成本低廉、模具整備簡易及高彈性化生產等優勢，極適合應於火箭或 管件等，對於精度具有高度要求之工件[13-16]。 1-1-4 電 子 束 銲 接 電子束銲接係將工件置於高真空度工作艙中進行銲接工作，靠電子束 撞擊金屬本身，產生高熱而將金屬熔接[17]，不需銲線及保護氣體，品質比 傳統銲接方式高出許多，因此銲接而產生之熱影響區及變形量也極小，為 傳統銲接方式無法達到的品質，故歐美先進國家廣泛將其用於高精度零組 件之銲接上。
3 1-2 研 究 目 的 本研究之主要目的為探討製作 D6AC 管材之最佳製程參數，包含坯盂 經旋形加工為管件之旋形最佳參數，旋形後管材與管材間的電子束銲接參 數，以及在銲後施予回火熱處理對管材本身機械性質的提升效果。 上述之研究目的，為綜合上小節所述之研發背景與鋼材特性，如表 1 所示，經綜合性的分析其優勢劣勢後，所規劃出之研發策略。 表 1 針對 D6AC 之 SWOT 分析 優勢(Strengths) 威脅(Threats) D6AC 鋼材本身高強度 、高韌性之性質。 D6AC 鋼材在含水氣或腐蝕環境下 對應力腐蝕裂縫與腐蝕疲勞較敏 感。 機會(Opportunities) 劣勢(Weaknesses) 於高真空度工作艙中進行之電子束 銲接技術。 D6AC 鋼材之氫脆敏感性、銲接前 後冷裂與熱裂之問題 在後續的章節將會呈現本研究依循此目的，所整理的文獻、規劃的實 驗及最後得出之成果，期能藉此研究對日後 D6AC 管材或鋼材之各式加工 技術基礎有所貢獻。
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第二章 文 獻 回 顧
本章將回顧現有的文獻，以利讀者更進一步了解本研究選用之材料─ D6AC 超高強度合金鋼，以及本研究為研發高精度之管材，所採用的旋形與 電子束銲接加工之原理、優點、為加工件之機械性質帶來的影響與改變。 2-1 超 高 強 度 鋼 2-1-1 高 強 度 鋼 與 超 高 強 度 鋼 所謂高強度鋼，是指那些在強度和韌性方面結合良好的鋼種，低合金 結構鋼，經調質處理後，具有很好的綜合力學性能。其抗拉強度 高於 1200MPa 時，叫高強度鋼；高於 1400MPa 時，稱為超高強度鋼[1]。 高強度鋼和超高強度鋼的原始強度和硬度並不高，但是經過調質處理 後可獲得較高的強度，硬度在 HRC30～50 之間。 鋼材的抗拉強度與硬度之間存在一定的關係。一般來說，硬度提高強 度也隨之增高，但不能說高強度鋼就是高硬度鋼。所謂高強度鋼和超高強 度鋼，是針對其綜合性能而言，相對的，淬火鋼的硬度很高，但不能稱為 高強度鋼和超高強度鋼，其原因是它的綜合性能不好，幾乎沒有塑性，韌 性也很差，只能作耐磨零件和工具[18]。5 2-1-2 種 類 與 價 格 比 較 超高強度鋼可視其合金含量的多少，分為低合金超高強度鋼(合金含量 不大於 5%)、中合金超高強度鋼(含量範圍 5%~10%)和高合金超高強度鋼(含 量高於 10%)，以下將不同種類之鋼材列舉於表 2。 表 2 超高強度鋼類別與簡述[2] 類別 強化方式 鋼材種類 高合金鋼 利用金屬間化合物析出硬化之特 性，達到強化效果。 AISI15-15PH、PH-13-8M 中合金鋼 利用特殊碳化物之二次硬化提高 強度。 HY 180、AF 1410 HP 9-4-20、HP 9-4-30 中碳低合 金鋼 利用低溫回火麻田散鐵強化組織。 D6AC、AISI 4130、 300M 麻時效鋼 低碳麻田散鐵內加入時效硬化元 素，再加以時效強化。 C250
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2-2 D6AC 中 碳 高 強 度 低 合 金 鋼 2-2-1 鋼 材 介 紹
1. 製程
由 Ladish 公司發展的 D6AC 中碳鋼高強度低合金鋼，製程是經由大氣 熔煉，再進行真空電弧精煉(Vacuum arc remelting)而得，此製程具純化效應， 使得材料品質得以提昇。D6AC 鋼材優越的機械特性，主要應用於機器結構 件，特別是尖端技術航太工業，也適用於製作壓鑄、擠壓、冷鍛等各種模 具[19]。 2. 材料特性 D6AC 中碳鋼高強度低合金鋼，硬度值約 42~53HRC，冶金性質與 AISI 4340 合金鋼相似，但其強度和硬化能比 AISI 4340 合金鋼還要高，硬化能 (Hardenability)係指鋼材在受某種淬火硬化處理後，能夠被硬化的程度，亦 稱為『淬火性』。硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化的深 度愈深，但硬化能大並不代表鋼材能經由淬火而獲得更大的硬度[18]。 D6AC 與其他同類合金鋼之化學成分比較見表 3，其中 D6AC 鋼材之化 學成分含量為 AMS 6431 規範，而在碳鋼中添加合金所對應的物理性質影 響則見表 4[1]。
7 表 3 D6AC 鋼與其他同類合金鋼之化學成分比較(wt.%)[1] Alloy C Mn P S Si Cr Ni Mo V Fe D6AC 0.42~ 0.48 0.6~ 0.9 <0.01 <0.01 0.15~ 0.3 0.9~ 1.2 0.4~ 0.7 0.9~ 1.1 0.05~ 0.1 balance 4130 0.28~ 0.33 0.4~ 0.6 <0.01 <0.01 0.2~ 0.35 0.8~ 1.1 - 0.15~ 0.25 - - 4140 0.38~ 0.43 0.75~ 1.0 <0.01 <0.01 0.2~ 0.35 0.8~ 1.1 - 0.15~ 0.25 - - 4340 0.38~ 0.43 0.6~ 0.8 <0.01 <0.01 0.2~ 0.35 0.7~ 0.9 1.65~ 2.0 0.2~ 0.3 - - 表 4 碳鋼添加合金元素之影響[1] 元素 添加後對鋼材之性質提升與影響 C 碳是碳鋼中最重要之合金元素，主要作用為淬火時提升強度及硬 度，過程中與其他合金元素結合為碳化物，含碳量越高則硬度強度 越大；韌性則越差。 Mn Mn 可以與 S 結合為無害的 MnS 以取代 FeS，同時也是脫氧劑。此 外多餘的 Mn 可對基地造成固熔強化。也是防止鋼材受大氣腐蝕的 重要角色。 Si 在製鋼過程中，做為脫氧劑用，在一般鋼鐵中含量約 0.2%~0.35%。 Cr Cr 會取代 Fe3C 中的部分 Fe 原子而產生較複雜的碳化物(Fe、 Cr)3C，可以減少回火軟化程度，增加硬化能並提高耐磨性。由於 Cr 之晶體結構是體心立方─BCC，屬肥粒鐵穩定，使 AC1溫度上 升。但缺點為促進晶粒生長，並且容易促進 P 與 S 之偏析，而增 加回火麻田散鐵脆化的程度。
8 表 5 碳鋼添加合金元素之影響[1](續) Ni Ni 本身之晶體結構為面心立方─FCC，屬沃斯田鐵穩定，Ni 的存 在將使共析溫度降低，亦即沃斯田鐵化溫度降低，故可促進晶粒 細化。同時若 Ni 與 Cr 共同添加於鋼材中可提高材料彈性限、增 加硬化能、提升衝擊韌性與疲勞限。 Mo Mo 元素在鋼鐵中，部分固熔於肥粒鐵內，其它則形成合金碳化 物，添加 Mo 的作用在於提升硬化能，回火時可以阻止碳的擴散， 減緩(Fe、Cr)3C 在先前沃斯田鐵晶界與麻田散鐵板條邊界析出， 改進材料韌性。 V V 為強碳化物形成元素，且碳化物形成後具高溫穩定性，可在高 溫狀態下有效阻止經歷生長。此外 V 為良好之麻田散鐵穩定元 素，可有效減緩回火軟化效率；但若 V 之含量過高，則反而對硬 化能有害，由於其所形成的穩定碳化物及微細的沃斯田鐵晶粒均 有助於成核。
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2-2-2 D6AC 銲 接 特 性
各種銲接法皆易導致各種不同之材料缺陷，有氣孔、冷裂縫、熱裂縫、 變形與殘留應力、熱影響區強度降低幾種問題[20]，依照國際銲接研究中心 IIW(International institute of welding)之分法如表 5 所示。
表 5 國際銲接研究中心針對銲接種類分法(IIW)[21] 種類 系列名稱 裂縫 100 系列 空洞 200 系列 固體夾渣 300 系列 不完全熔融 400 系列 不完全外形 500 系列 其他缺陷 600 系列 一般超高強度鋼在銲接應用上，容易有冷裂與熱裂的問題，因此在材 料本身的成份上，硫、磷等夾雜物的含量控制即相當重要，因為硫會增加 銲道的熱裂敏感度，而磷則會降低延性和韌性，並增加銲道的冷裂敏感度。 冷裂縫(Cold cracking)為約產生在溫度 315℃以下(或在高溫產生但在低 溫察覺到)的短時性或延遲性裂縫，為穿晶破裂。主要發生在母材熱影響區 與銲道熔融區。原因為熱影響區變硬(麻田散鐵形成)、殘留應力的產生與氫 的脆化作用。 熱裂縫(Hot cracking)則約產生在溫度 315℃以上，於銲接進行時發生的 延晶式(又名晶粒間式)裂縫。主要發生區域亦為母材熱影響區與銲道熔融區。 原因為晶體介面變弱或液化、殘留應力的產生以及偏析物的液化。在銲接 的整個過程前後，預防或避免冷裂縫與熱裂縫的方法如表 6 所示[21]。
10 表 6 於銲接過程防治冷裂縫與熱裂縫的方法 冷裂縫 熱裂縫 續熱處理─紓解殘留應力並軟化之 降低銲接時承受外力的程度 預熱處理─降低銲材之冷卻速度 選用雜質較少的母材 選用含氫氣量較少的銲條(於本研究 中不需考慮、電子束銲接為真空腔 體內進行，全程不需使用銲條) 避免多重熱循環 由於在銲接過程中，銲道及其附近區域(熱影響區)均會生成硬脆之麻田 散鐵組織及殘留沃斯田體，在殘留沃斯田體之晶界所形成的連續碳化物， 則會增加脆裂的程度[22]。故在銲接過程為避免冷裂與熱裂，在銲接過程配 合以下三項熱處理，將可改變組織，改善其韌性等機械性質，是銲接高強 度低合金鋼時，必須且重要的技術： 1. 銲前預熱 在銲接前預熱能夠降低材料本身所累積的殘留應力，並能夠使材料內 部組織轉換成變韌鐵組織，此方法能夠降低材料對氫的敏感性[23]。 2. 銲間持溫 在銲接過程中，溫度須持續保持在預熱溫度以上，防止麻田散鐵組織 產生，而影響銲件本身之韌性，並提高銲接後整體的品質。 3. 銲後回火 銲接後在銲道與熱影響區因碳與合金元素變少，易產生熱裂而降低銲 道強度與韌性，因此對銲後回火能夠有效改善此缺點。
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2-2-3 D6AC 熱 處 理 特 性
一般鋼材的熱處理均先將材料升溫至 850°C 至 950°C，施以沃斯田鐵 化(Austenitizing)後，再經由淬火(油淬或鹽浴淬火)與回火處理以達到所要求 的強度及機械性質。
D6AC 的 熱 處 理 特 性 較 為 特 別 ， D6AC 之 TTT(Time temperature
transformation) 恆 溫 變 態 曲 線 圖 為 圖 1[24] ， 圖 中 具 有 明 顯 沃 斯 田 鐵 灣
(Austenite bay)，因此可採用 Aus-bay quenching 方式淬火[25]，以降低淬火 過程中工件之變形，淬火(Quench)宜採油淬或鹽浴淬火，其詳細內容或步驟 如下：
12 由圖 1 可知，D6AC 鋼材在 480°C 至 580°C 之間，具有一個沃斯田鐵 灣，在此溫度範圍下，沃斯田鐵是非常穩定的，即使保持很長時間，也不 會相變為波來鐵(Pearlite)。舉例說明：若溫度維持在 680°C 時，鋼材將會緩 慢的轉換成波來鐵所需時間大約為 30 分鍾，因此只要冷卻速率大於 3°C/min， 就能防止其在 680°C 時變態為波來鐵，鋼材本身將會在相變化開始前降溫 至沃斯田鐵灣內。 利用上述之特性，可知 D6AC 鋼材適用分段式淬火法，此法為先把工 件由正常化溫度(850℃至 950℃) 以每分鐘 5°C 以上之冷卻速率，冷卻至沃 斯田鐵灣之溫度範圍(480°C 至 580°C)，持溫一段時間，待工件內外溫度均 勻後，再選用適當之冷卻速度降至常溫以得到麻田散鐵(Martensite)，接著 依需求施予回火處理，以得到所需之強度與韌性，此種熱處理方法稱為 Aus-Bay Quenching，由於此法已將淬火過程中所需下降的溫度改變量事先 縮到最小，故淬火時工件較不會產生淬裂，且可有效降低淬火變形量，以 保持零件之精確度，尤其對厚工件而言尤為適用。 淬火後，由於 D6AC 具有淬裂之敏感性，當工件經過淬火處理後會有 殘留淬火應力，可透過回火熱處理，減少淬火應力之殘留及淬裂之發生， 回火熱處理不僅可降低殘留應力，對鋼材之強度與韌性亦有舉足輕重的影 響，D6AC 鋼材的回火分為四個階段[26]： 1. 第一階段：麻田散鐵→回火麻田散鐵+碳化物(回火溫度由室溫至 250℃) 材料於室溫至 250℃之範圍內回火時，其相將由體心正方麻田散鐵轉化 為回火麻田散鐵，亦即體心立方麻田散鐵，同時會有薄板狀碳化物析出， 以及將釋放淬火所累積的內應力，使硬度下降[27]，韌性上升。
13 2. 第二階段：殘餘沃斯田鐵→肥粒鐵+碳化物(M3C) 材料於 200℃至 300℃之範圍內回火時，依據現有文獻[28]，此時的碳 化物為在先前殘留的沃斯田鐵與麻田散鐵之邊界產生，通常與碳化合之元 素為 Cr、Mn，排列方式與雪明碳鐵(Fe3C)相似，故以 M3C 做為此處碳化物 之代號。 3. 第三階段：回火麻田散鐵+碳化物→肥粒鐵+雪明碳鐵 材料於 300℃至 400℃之範圍內回火時，於第一階段產生之回火麻田散 鐵將會再轉變，生成肥粒鐵與雪明碳鐵，第一階段之碳化物則轉變為雪明 碳鐵[29]。 4. 第四階段：雪明碳鐵凝聚成球 材料於 400℃至 A1溫度之範圍內回火時，在 550℃以下回火，雪明碳 鐵會因 Fe 以外的合金元素限制，尺寸仍小，逐漸隨溫度上升將會凝聚成球， 溫度升至 550℃後，球化現象將會顯著增加，使材料韌性急遽上升。 由文獻[22][25]顯示 D6AC 鋼材在淬火之後以回火溫度 250℃及 550℃， 可獲得強度分別為 1800 至 1950MPa 與 1500 至 1650MPa，其強度性質優良， 適合應用於飛機結構、飛彈及船艦之零組件，故在這本次研究中的銲後回 火溫度，將選擇在 250℃至 550℃之間，依照四個回火階段各自取 250℃、 350℃、450℃、550℃以及未回火共五組不同條件之試片，彼此相互進行比 較。
14 2-2-4 研 發 與 工 程 應 用 之 發 展 情 形 本研究所採用之 D6AC 鋼材在 1960 年代問世，在當時其主要應用為戰 術和戰略導彈發動機殼體及飛機結構件上，於 1970 年則進一步研發出將 D6AC 材應用於固體火箭發動機殼體、美國新型地對空導彈，小型導彈與大 中型導彈，以及美國太空梭助推器殼體 F-111 飛機的起落架和機翼軸等處[2]， 至今則應用於各種對高強度、高韌性具使用需求之途徑，如表 7 所示。 表 7 D6AC 鋼材應用層面[2] 類別 用途 飛機 起落架齒輪零件、薄殼壓力容器、模座(die blocks)及支架 (bracket)、蒙皮板件、機翼軸等 固體燃料火箭 發動機外殼、 加力器外殼(booster case) 太空梭 助推器殼體 飛彈 各式地對空導彈、空對空小型導彈、大中型導彈彈身與發 動機殼體 D6AC 鋼材有著廣闊的發展前景，欲使一種類之鋼材成為工業應用之主 力，除了研發鋼材本身之合金元素比例、找尋適當製程使其具備優良的機 械性質外，亦需充分的擴展適用之加工法與加工參數研發，以提升鋼材應 用之變化性，滿足不同的使用途徑，因此近年來研究者除針對 D6AC 鋼材 開發不同加工法[30]、銲接法(電子束銲、惰氣鎢極電弧銲及電漿電弧銲 等)[31]，在熱處理工藝方面亦已開發了細化晶粒方法等技術[32]，亦有針對 鋼材本身之氫脆特性所做之改善研究[23]，且均獲得一定的成果，本研究也 將承先啟後，對 D6AC 鋼材在旋形加工與電子束銲接之可能性與品質方面， 做進一步的研發。
15 2-3 旋 形 加 工 旋形加工(Spinning)技術為一種適用於製造高強度、高精度薄殼工件 之塑性且無屑冷(熱)作加工方法，使工作材料產生流動而成型，其晶粒結構 受應變作用而成纖維組織，並受加工硬化增加其強度。用於製作長型薄殼 無縫管件或端板弧形工件，正符合飛彈彈體、火箭之發動機、加力器等無 縫 合 金 管 殼 類 型 加 工 之 需 求 ， 更 可 收 顯 著 降 低 製 造 工 時 及 成 本 之 效 [33][34]。 傳統車削加工製造長形薄管時，常因壁厚太薄，會有加工變形、加工 後尺寸精度難掌握、加工工時長，不易達到量產及降低成本的需求等問題， 因此，於製造長形薄管時，為易達到所要求的壁厚、內徑公差及直度要求 等，流旋壓（Flow forming）加工方式的發展與導入，相信可有效提升管材 之精度[35]。 以下將就旋壓加工之基本原理、種類、影響旋壓加工之因素，其中影 響旋壓加工之因素又分為加工參數上之影響與材料本身機械性質所造成之 影響兩大面向，以下將於各小節詳述之。 2-3-1 旋 壓 加 工 基 本 原 理 與 種 類 旋形加工(又稱旋壓成形、旋壓加工)是將金屬材料車製為特定形狀， 可為旋形加工機夾具所夾持的、內徑大小吻合旋形加工機具之軸等，具有 可固定於旋形加工機具上之條件的旋形坯盂或板材，之後將坯盂或板材固 定於可轉動之模具上，利用旋轉滾輪連續對材料極小部分施予旋壓（即進 行點加工），穩定的朝某個方向施予一定之壓力，並移動其滾輪，使金屬材 料沿旋形形模產生變形和流動，滾壓成薄壁管件或錐形工件之加工技術， 常用於加工製作軸對稱之圓形中空工件。旋形加工主要之加工參數為主軸
16 轉速、滾輪進給速率、工件壁厚減縮率等，製作出的產品優點為強度高、 精度高、材料節省、生產道次減少、加工時間縮短等。 旋形加工基本上有三種類型，係按其加工類別可區分為彎旋形、剪旋 形與流旋形共三種，而流旋型則可依加工方式，區分為順流旋形及逆流旋 形[36,37]。 1. 彎旋形(Contour spinning)加工基本原理 彎 旋 形 種 類 繁 多 ， 應 用 範 圍 極 為 廣 泛 ， 又 稱 為 傳 統 旋 壓 加 工 (Conventional spinning)，如圖 2 所示，在所有旋壓製品中使用頻繁。胚料為 板料或半成品，採用滾輪運動軌跡方式，對工件進行多道次加工，只改變 胚料形狀，而不改變胚料壁厚，適合塑性好和壁厚薄之材料使用，可加工 形狀複雜之零件，加工方式如圖 3 所示。彎旋壓加工宛如沖壓加工的深引 伸加工，以成形模取代沖頭，以滾輪取代沖模。滾輪循環移動多道次地加 工出成品，加工條件較深引伸加工有更大的自由度，可得較複雜之形狀， 材料的剪應變及材料流動同時發生，應力狀態下塑性降低，需採多道次旋 壓來完成，生產效率較其它旋形加工法為低，且尺寸不易控制，需較高之 技術水準。 圖 2 彎旋形加工示意圖 圖 3 多道次加工示意圖
17 2. 剪旋形(Shear spinning) 如圖 4 所示，此加工法乃不改變胚料外徑，但改變板厚，原理依循正 弦定律（或稱剪旋定律）及體積不變定律，及旋前胚盂之體積應等同於旋 後工件之體積[38]；此法與不改變板厚，僅採用折彎板料方式的彎旋形加工， 正好成對比[39]。 這種加工方法的特色是滾輪僅用一個道次成形，加工時間短，加工面 美觀，製品精度亦高。部分不適於彎旋形加工的材質可適用此法。機械的 設定、調整比彎旋形加工容易。利用此特色，旋形製品用剪旋形加工製造， 有時甚至較彎旋形更具效率，易於生產，但此法改變會板材整體厚度，塑 性變形的程度較彎旋形大，若因板厚減少太多，恐導致缺陷產生，生產之 良率下降，為彌補此缺點，可考慮與彎旋形組合成複合加工。 圖 4 剪旋壓加工過程示意圖
18 3. 流旋形(Flow spinning) 流旋形加工，又稱為管旋形。乃是將中空金屬胚管(Blank)或杯形胚盂 (Preform)於一定的速度旋轉下，利用一組滾輪(Roller)施以局部壓力，使其 金屬產生塑性變形而包於形模(或心軸)上，製成具有所需之中空、圓形截面 的管殼、容器等工件的一種管件成形製造技術[35]，依材料流向不同分為兩 種方式：如圖 5(a)(b)所示，材料流向與滾輪移動方向一致者為順流旋形加 工(Forward spinning)[40]，適用於有底管件之旋形加工；材料流向與滾輪移 動方向相反者為逆流旋形加工(Backward spinning)[41]，適用於中空管件的 旋形加工，流旋形加工條件的決定比彎旋形加工容易，但影響加工品質的 因素較多，將於後兩小節中做詳細的討論。 本研究之目的為研究管材之製程，因此將採用順流旋形加工作為本研 究之旋形加工種類。 (a)順流旋形 (b)逆流旋形 圖 5 流旋形加工示意圖 滾輪加工方向 材料流動方向 滾輪加工方向 材料流動方向
19 2-3-2 旋 形 加 工 之 優 良 特 性 台灣目前對於許多軸對稱之圓形中空工件仍使用一般車製加工之方式， 旋形技術目前則已在歐美等國家逐漸成為主流之一。因此，本小節即針對 旋形加工技術與一般車製加工方式互相比較其優缺，彙整出在相較車製加 工上，其優良特性如下： 1. 節省材料： 旋形加工為無屑加工，能將旋胚的材料完全應用，較一般車製切削成 型加工節省材料，尤其對目前高性能武器所採用之特殊合金材料而言，由 於材料本身十分昂貴，相對於傳統車削加工更能節省大筆材料費[14]。 2. 節省工時： 旋形加工之準備工作時間較長，包括旋型工具與夾具之製備與調校、 程式設計、旋形坯盂之車製等，而實際加工之工時則較短，所需工時與直 接車製之工時相比較，仍然較車製工時為短，相差約 2 倍以上，且加工數 量越大，則效益越明顯[14]。 3. 加工硬化提升強度： 旋形加工之工件若採剪旋形、順流、逆流旋形則受加工之工件，將會 因壁厚縮減而具有壓伸現象，材料將因而產生冷加工硬化，並具有明顯之 纖維組織，強度將獲提升，其增加之強度視材質、壁厚減縮率而定，減縮 率不同，其強度增加量亦隨之而異；反之若僅採彎旋形之方式，材料僅折 彎未受壓伸，則材料強度變化不大，一般而言，材料之抗拉強度、降伏強 度、硬度皆提高，延伸率則降低[42]。
20 4. 加工精度高： 流旋型管件之精度高，其隨著內徑及壁厚之不同，真圓度可達 006～ 0.4mm，同一直管之同一截面上之壁厚，公差則可縮減在 0.03～0.05mm 間， 同心度可達±0.12～0.30mm，每米直度可達～0.5mm。 剪旋型工件加工時，若旋型設備與旋胚精度品質良好，其旋製後壁厚 截面公差可在 0.01mm 以內。 5. 快速換模、亦適合小批量研製： 小批量研製時，若工件內徑不變，只變更材料、壁厚或外型，僅需更 換套型模配合旋型加工即可克服，較沖壓、車製、銑製加工成本低，滿足 研製上或設計上之條件，使研製工作更具彈性，且於中、小量生產時，工 具方面可配合運用不同之材料，適度的降低成本。 6. 使用限制： 旋壓成型加工之製品受到轉動軸對稱圓形之限制，其加工複雜性不如沖壓 加工，但本研究主要為飛彈彈體管件製程，工件外形即為軸對稱圓管，故 不受此缺點限制。
21 2-3-3 影 響 加 工 品 質 之 加 工 參 數 1. 滾輪與成形模之尺寸、形狀 不同之滾輪與成形模形狀，互相配合發展出彎旋形、剪旋形、與流旋 形三種不同種類之旋形加工法，其中成形模之形狀主要掌控旋坯之內側外 形，各有不同但皆為軸對稱之圓柱、圓錐、或圓杯狀等，加工件之外側則 由滾輪將其壓伸加工而成。 滾輪的外徑形狀會影響到產品翹曲的情形與其表面光滑度，圖 6 為滾 輪形狀的範例，各種滾輪會設計不同成形角與餘隙角角度，以適用不同材 料與加工方式之需求，其中成形角若角度小，則擠壓面積增大，加工力亦 增大，角度過大容易使材料不穩定流動，降低表面精度，通常成形角約在 20∘~30∘之間；有餘隙角的設計可提升材料表面光澤；有時會依需求將接 觸點設計為圓角，圓角半徑越小則接觸點施予工件上之壓力越大。 圖 6 滾輪與材料接觸面形狀 旋形加工方向 餘隙角 成形角 接觸點
22 2. 進給速率比 進給速率比為滾輪的進給速率與主軸轉速之間的比值。只要滾輪的進 給速率和主軸轉速之間的比值維持不變，兩者之數值可以被改變，而在產 品品質上不會有明顯的影響，因此欲提高工作速率，在其他加工條件允許 下，可在維持進給速率比的情況下，提高主軸轉速與滾輪進給速度。 若僅提升主軸轉速，可能造成因為高變形率導致主軸作用力大幅增加， 另一方面，則是因為在固定滾輪進給速率之情況下，進給速率比與主軸轉 速(mm/rev)成反比，所需的變形能量可能因此降低。 加工的過程，當進給速率比值高時會產生較高的作用力，較易導致破 裂時；相對地，太低的進給速率比將會在外表方向造成過度的材料變形流 動，這樣會造成不必要的工作力的降低和不當的管壁變薄。 3. 減縮率 減縮率為加工過程中所縮減掉的壁厚值占原本旋形坯盂璧厚的值之百 分比，舉例：若減縮率為 65%，指加工後之璧厚約為加工前之三分之一。 越高的減縮率在旋形加工中就越困難，如果減縮率太大，那麼就無法 有效地將管壁上產生的高徑向拉力傳送出去，很難保持工件斷面上的平均， 而且沿著凸緣到管壁的變形周圍會有撕裂的狀況。再言之，減縮率的上限 是在凸緣開始產生皺褶時，此時，皺摺之情形將漸趨嚴重，而導致無法於 後續道次的加工過程中將其移除[43]。
23 4. 加工作用力 在本研究中所採用之流旋形加工過程中，需考量由 3 個分別為軸向， 徑向，及切線方向的力，如圖 7 所示。在計算這些力的過程中，最重要的 是切線方向力 Ft，決定加工要求的力矩和力量。軸向力 Fa扮演的角色相當 小，這是由於這個力的實際軸向位移十分的小。而徑向力 Fr在加工過程中 是不作功的，但須考量其力道大小，以控制欲達目標旋形減縮量之道次數 量[44]。 圖 7 流旋壓加工示意圖 Fr Ft Fa
24 2-3-4 材 料 本 身 之 可 旋 性 材料可旋性定義為材料可承受之最大旋形加工量，亦即材料經旋形加 工後，不發生起皺或破裂之最大壁厚減縮量。材料的可旋性並非由特定量 測儀器所判定之量化數值，材料之整體可旋性的優劣，取決於以下材料特 性，包含機械性質(強度和延展性)、冶金性質(雜質，熱處理)、物理性質(比 熱，熱導率和膨脹係數)，以及晶格排列方式(金相)等。這些特性的相互關 係，綜合影響了材料的可旋性。 因此於加工規劃中設定旋型加工參數前，可透過試旋，探究該材料之 可旋性，可旋性愈佳之材料，表示材料可抵抗旋形加工之變形破裂程度愈 高，因此材料最大可旋形量是研製時之重要參數[45]。 材料可承受之最大可旋形量並非旋形加工的極限，若欲將特定材料旋 形加工至其最大旋形量以上，可搭配退火熱處理先將其內應力消除、提升 材料本身之可旋性後，再進行旋形加工或於不同道次之加工程序之間加入 退火熱處理之階段，亦即階段性的透過退火熱處理，調整材料內部微結構， 使其均質，提高材料本身可旋性，再逐步施予旋形加工。 舉例：若有一材料可承受之最大旋形減縮率為 50%，如今欲將其旋形至 更低之減縮率，則第一道次旋形先將其旋至 50%減縮率，再施予退火熱處理， 消除內應力，使其均質化，再施予第二道次之旋形加工即可達高於其可承 受之旋形減縮率之成果[46]。
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2-4 電 子 束 銲 接 2-4-1 電 子 束 技 術
1. 起源
電子束技術(Electron Beam Technology)之發展與研究，至今已有超過三 百年的歷史，而真正的工業級電子束相關設備發展、安裝及生產是在第二 次世界大戰之後才漸漸開始，其原因主要是在第二次世界大戰前，工業界 對於一些高精度材料之需求不高，連帶的對電子束這種昂貴的投資興趣缺 缺。而時值今日，隨著資訊時代的來臨，對於高級電子材料及一些特殊製 程之需求也相對增加。以下將針對電子束技術之基本原理、應用做簡單之 介紹。 2. 電子束系統之基本原理 電子束係在一個 1.3×10-2 Pa (1×10-4 Torr)高度真空的環境中，經由電子 鎗射出。電子鎗(圖 8)之鎢絲(或鉭)的陰極通以高電流，使鎢絲被加熱到約 2500℃～2800℃的高溫，而放出熱電子。這些電子被陰極、柵極和陽極之 間的電場聚集，燈絲本身為陰極，陰極下方有一柵極(聚束極)，陰極與柵極 之間接有負偏壓，以控制射出之電子數目，柵極的下方為陽極，相對陰極 之間有高電壓差，以加速電子形成高能量的電子束。此高速之電子束由電 子槍射出後，通過一組電磁聚焦線圈(Electromagnetic focusing coil)或稱磁透 鏡(Magnetic lens)，將電子束聚焦成高能量密度電子束，藉其作用瞄準、聚 焦。聚焦線圈下又有電磁偏向線圈(Magnetic deflection coil)，用以控制電子 束偏離原垂直路徑或產生高頻擺動(High frequency oscillation)。經由上述的 加速與聚焦後電子束以 0.3～0.7 倍的光速進入真空艙撞擊工件表面，而在 瞬間將極大的動能轉變成熱能[47]。
26 圖 8 電子鎗構造剖面圖[48] 3. 電子束於銲接技術之應用與其他用途 電子束技術是應用面十分廣的一種製程技術，除了傳統的一些應用外， 電子束技術也提供了工程師在製程選擇上一個廣大之空間，只要掌握該技 術之核心技術及觀念，工程師可以進行必要之設計及變更以達到其應用目 的。
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其中的電子束銲接(Electron beam welding，EBW)，為利用電子束之高 能量能瞬間產生高熱之特性，將此方式應用於銲接工作上[49]，使金屬熔接 的一種精密銲接技術。(在銲接上，所需能束功率密度約 104 ~106 w/mm2，如 圖 9 所示)[50]及其可調性的優點，使得輸入工件內之熱量在足以施行銲接 之範圍內減到最低，銲縫將極為細窄，熱影響區及變形量小，且銲道強度 大，產品品質優異，因而此技術最適於高品質之零件加工，如航太、核能、 火箭等零件之製造。 圖 9 能束功率密度所對照之應用面。 除本研究之重點─電子束銲接技術外，電子束之應用亦有：電子束蒸 鍍、電子束懸浮區段純化、電子束切削、電子束精煉、以及在太陽能電池 用多晶矽材料的製作上之應用等。 0.1 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 烤漆(Painting) curing) 退火(annealing) 熔解(melting) 金屬噴塗(metallization) 銲接(welding) 切削(machining)
28 2-4-2 電 子 束 銲 機 設 備 簡 介 電子束銲接之設備示意圖如圖 10 所示，包含真空艙(圖 11)、電子鎗(圖 8)、真空建立系統、高壓裝置、光學視窗系統或掃瞄機構、工作台及控制系 統等，透過工作台結合控制系統，下達銲接參數指令，工件將置於真空鎗， 在由真空系統所創造出的真空環境下，藉由電子鎗所發出之高能量電子束 對其進行銲接，加工的同時可由光學視窗逕行監控，儀器周邊則具有高壓 電源、冷卻系統等，其中電子鎗與真空鎗之真空系統為各自獨立運作。 圖 10 電子束銲接設備示意圖[17]
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30 2-4-3 電 子 束 銲 接 運 作 原 理 電子束銲接過程中，銲件係在一高度真空的環境中，電子束經過加速 與聚焦後，自電子鎗射出，進入真空艙撞擊工件表面，而在瞬間將極大的 動能轉變成熱能。由於電子束之能量密度高達 108 W/mm2，當撞擊工件表面 時，會引起局部的金屬汽化瞬間穿透工件，形成一個熔融金屬包圍的金屬 蒸汽孔(Vapor hole)，稱為鑰孔(Key hole)。此孔由其周圍液態金屬產生的流 體動力與汽化金屬的蒸汽壓力，互相平衡，在銲接進行中，始終維持著， 如圖 12 所示。 當熱源沿著銲縫往前移動時，熔池前端的金屬繼續熔解並且沿著鑰孔 周圍流到熔池的後面凝固形成銲道，鑰孔銲接因為熱源能量可直接穿透工 件，造成工件的局部熱熔合以達銲接目的[51]。 圖 12 電子束銲接機構圖[48]
31 銲接時，材料受到電子束高能量密度作用而形成熔融狀態，冷卻後而 形成銲道；當銲道隨時間冷卻凝固時，母材熔融部份形成鑄造組織，靠近 銲道附近之母材因受高溫影響而產生冶金組織，稱為熱影響區。 銲道金屬凝固現象與金屬凝固過程類似，在金屬銲接時，晶粒向銲池 中心(Weld Pool)生長，有如一小型的鑄造過程如圖 13 所示。所以銲道金屬 之凝固模式與凝固後相變態是決定銲道金相組織之關鍵因素，金相組織之 型態則與銲道之抗拉強度、裂縫之裂縫之延展能量(Ep)、裂縫起始能量(Ei)、 及機械性質有密不可分之關係。 圖 13 銲道熔融凝固過程示意圖[52]
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2-4-4 電 子 束 銲 接 參 數
電子束的主要銲接參數有加速電壓(Accelerating voltage, AV )、射束電流 (Beam current, BC)、聚焦電流(Beam focus, BF)、銲接速度(Travel speed, TS)、 燈絲電流(Filament current; FC)及射束偏轉(Beam deflection, BD)、工作距離 (Gun-to-work distance, GTW)、真空度(Vacuum)等[17]。電子束在工件表面所 形成射束斑點(Beam spot)的大小是由 AV、BC、BF 及 GTW 所決定。AV 或 BC 增加，則 EB 穿透深度及銲道寬度會增加，然 AV 對穿透深度影響較大， 而 BC 對銲道寬度較具貢獻；AV 與 BC 的乘積為射束功率，其可以決定熔解 金屬的量。若相關參數不變，僅增加 TS 則穿透深度幾乎成正比例的降低，銲 道寬度會稍微減小。 電子束銲接之輸出功率密度是目前使用銲接設備中最高的(圖 14)。其 銲接時之熱輸入量(θ)與射束功率(AV 與 BC 的乘積)有關，熱輸入量及功率 密度之計算為： (2-1) (2-2)
33 圖 14 銲接方法之功率密度分佈圖[53] 電子束聚焦位置可分為三種，是由聚焦電流(Focus Current)控制，聚焦 位置不同，會影響銲道性質。 (1)聚焦在工件表面以上(Overfocus) (2)聚焦在工件表面上(Sharpfocus) (3)聚焦在工件表面以下(Underfocus) 由文獻得知，對於厚度大於 0.25 in.的工件，最佳的焦點是在工件厚度 的中心位置上。這個技術稱為「中點聚焦(Mid-point Focusing)」。 在較低的真空環境中，電子束會因為繞射作用而產生許多不良的影響。 首先，電子束的聚焦變得困難，以致於所形成的最大能量密度減小，而降 低銲接的穿透力；其次電子透鏡的焦距會顯著地降低而使得電子鎗至工作 物的工作距離變短。由此可知工作環境的氣體濃度會明顯地影響銲接的穿 透能力及工作距離。如圖 15 所示，其銲道形狀隨真空度之升高而愈形狹長， 其深寬比值亦愈大。因此，工作環境真空壓力之不同，對銲接工作之銲道 形狀和熔深有很大的影響(圖 16)。因此目前工業上應用的電子束銲接設備， 其電子鎗大都維持在低於 5×10-4 Torr 的真空環境內，依工作艙的真空環境可 概分為高真空、低真空及非真空三等級。
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圖 15 銲接艙真空壓力對銲道形狀和熔深之影響[54]
35 2-4-5 電 子 束 銲 接 系 統 種 類 以往文獻對於電子束銲接系統分類的記載，均以電子槍之電壓高低與 工作艙之真空度為主要劃分界限。前者以 60 kV 為界，區分為高、低壓系 統。電壓大小主要在賦予電子束之加速動能，進而決定熔穿深度；後者則 以 750 torr 與 10-3 torr 區分為三類，依次為非、低及高真空系統，可判知電 子束移動過程因空氣分子阻擋產生之散射與能量損耗，藉此決定銲道寬度。 凡此二者，均會分別影響銲件品質[55]。 圖 17 為高電壓低電流與低電壓高電流之銲道巨觀形態觀察圖，圖中顯 示高電壓低電流銲道寬度與熱影響區寬度較低電壓高電流銲接系統者小， 表 8 及表 9 分別為為高低壓型及高中低真空度之電子束銲接的特性比較 [56]。 (a)低電壓高電流系統 (b)高電壓低電流系統 圖 17 不同種類之電子束銲接系統之銲道巨觀形狀比較[57]
36 表 8 高低壓型電子束銲機特性與銲件品質之比較表 類別 項目 高壓型電子束銲機 低壓型電子束銲機 銲機比較 額定加速電壓 100kV 以上(通常為 150kV) 40~60kV 左右 槍與工件間之 工 作 距 離 (GTW) 因加速電壓高，致空間電荷 密度小，透鏡和銲件距離 ( 最 大 有 效 焦 距 ) 可 達 700~800mm ， 甚 至 超 過 1000mm 透鏡和銲件距離(最大有效 焦距)較短，約 500mm。 銲接對象 因陰極尺寸小，電子束聚角 小，故相同功率下高加速電 壓和電流可使電子束聚成 更細的束徑，獲得更高功率 密度；故適於精密銲接和大 厚度銲接。 電子束徑較大，功率密度低 ─較不適於精密銲接和大厚 度銲接 設備特性 體積大，架構複雜，設備售 價高 體積小，架構簡單，售價較 低(「動鎗式」幾乎均採用低 壓鎗) 放射線問題 工 作 艙 鋼 板 厚 度 須 超 過 12mm，外壁仍需包覆鉛板 以屏蔽放射線，危險性較高 工作艙鋼板厚度超過12mm 即可有效屏蔽放射線 銲件品質 銲接精度 高 高 加工件殘留磁 性 些微殘留，但影響不致過 大。 殘留磁場的作用影響，6倍於 高壓型者。 銲道伸寬比 銲道極窄，深寬比達20:1 較高壓型稍寬 變形量 非常小 稍大 備註 隨著電子束銲接技術的發展，電子鎗設計製造技術不斷提 升，低壓型電子鎗的技術性能與高壓鎗的差距已逐步縮 小。
37 表 9 EBW 工作艙真空度分類及特性比較 真空度 類別 高真空 低真空 非真空 銲道汙染情形 極純淨之銲道，無殘 存氣體之污染。 可 容 許 少 量 污 染 的 金屬熔接。 較多的銲道汙染。 適用材料 可 適 於 特 殊 合 金 之 銲接，如 T1 或 T2 合 金。 適於金屬如鋼，Ni-， Cu-，及 Al-合金之銲 接。 適於金屬 如鋼 Ni-， Cu-，及 Al-合金之銲 接。 銲道寬度 在工作距離(GTW)增 大下，仍保有極狹窄 精密之銲道。 當工作距離(GTW)加 大，銲道稍寬。 受到工作距離之限制 最大間距為30 mm，銲 道 較 寬 ， 深 寬 比 為 3:1。 抽真空時間 抽真空時間較長。 抽真空時間較短。 幾乎可省去抽真空時 間。 備註 具多用途，如採部份 真空仍具可行性。 較傳統具有極高的銲 接速率。 需要使用高壓電子槍。 以上所介紹為電子束銲機以高低電壓以及不同真空度分類，另外亦有 以下如表 10 所示之分類法：
38 表 10 電子束銲機之各種分類方式 項目 類別 電子束加速電壓 A.高壓型 B.低壓型 工作艙之真空度 A.高真空 B.低真空 C.非真空 銲件是否完全置於工作艙內 A.全部真空 B.局部真空 工作艙容積 A.大型 B.中型 C.小型 功率大小 A.大功率 B.中等功率 C.小功率 銲接過程電子鎗可否移動 A.定鎗式 B.動鎗式 操作模式 A.手動控制 B.自動控制 C.數控 D.計算機控制 設備專業化程度 A.通用型 B.專用型
39 2-4-6 電 子 束 銲 接 之 優 良 特 性 及 特 殊 限 制 電子束銲接具有下列的優良特性[21]： 1. 銲縫品質佳，變形少，熱影響區窄： 利用電子束施以高電壓(25KV～200KV)加速運動(0.3～0.7 倍光速)，產 生極高之動能撞擊工件轉換為熱能，但輸入工件內之總熱量低，靠母材本 身熔接，銲道及熱影響區窄，如圖 18 所示。EBW 與 TIG 銲接之銲道和熱 影響區比較。因銲接殘留應力少，工件收縮變形小，故極適於精密製造。 (a)EBW (b)TIG 圖 18 EBW 和 TIG 銲接之銲道形狀比較[54] 2. 活潑金屬銲接良好，如鈦、鋯等合金： 可銲接經熱處理硬化或加工硬化後之金屬，而銲道強度高於母材[58]。 3. 銲縫在高真空中施銲，無污染： 電子束於真空環境下，通過磁場加以聚焦，功率密度高達 106～108 w/mm2，因在真空加工熔接，受空氣污染程度至最低，有最佳的銲接品質。
40 4. 熔深比任何電弧皆深： 銲接滲透力強，銲道深而窄，具有最大的銲道深/寬比如圖 19，與 TIG 及 Plasma 之銲道比較。對於厚的材料，可一道銲接，而且不需要開槽及填 料，節省許多時間和成本。 圖 19 銲道形狀之比較[54] 5. 操作簡單，故節省操作人員訓練費用： 銲接速度快，可達 100 mm/s，而且不需填料、助熔劑或保護氣體，銲 接品質好，且生產力高。 6. 異種金屬亦可銲接： 可對異種金屬進行銲接[59]，通常凡屬相同結晶構造且原子半徑大小相 差在 13％以內者，均具有相互熔銲之可行性。有關異種金屬間之互銲性， 如圖 20。
41 × 形成金屬間化合物－不可採用 S 行成固溶體－優良熔合 C 可能存在複雜組織結構－可被採用 D 可供評估數據不足－使用當心 N 無數據提供－使用時特別慎重 圖 20 異種材料銲接性[54] 電子束銲接具有下列的特殊限制[17]： 1. 設備昂貴，非高價值銲件，不合經濟效益。 2. 銲件形狀和大小受真空銲接室容積之限制。 3. 接頭準備較耗時，要求密合性高。 4. 大型高真空銲接室施銲前，抽真空過程耗時，故銲接效率差，但對小型 真空室之銲接則速度較快。 5. 銲接時會伴生 X 光，須注意勿外洩，以免產生輻射傷害。
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第三章 實 驗 步 驟
本實驗為先將 D6AC 合金鋼鍛造、切削加工成流旋形旋坯，並尋找最 佳旋形參數以達到最佳旋形減縮量，加工成精密無縫薄管後，並施以不同 電子束銲接製程，尋找最佳銲接參數，銲後並透過熱處理取得最佳機械性 質，熱處理則以淬火、回火及應力消除之不同熱處理條件等，實驗步驟共 分為五大階段如 圖 21，期間則分別取試件進行顯微組織觀察及機械性質分析，以即時 做正確的校正及逹成預劃的研究目標。 母材正常化 車製坯管 65%試旋階段 73%試旋階段 50%試旋階段 失 敗 電子束銲接 銲後回火 1.微硬度值 2.金相觀察 3.SEM觀察 4.拉伸試驗 5.XRD 各分析實驗項目： SEM觀察破斷面 EDS EDS 車製成坯管後退火熱處理 成 功 65%旋形加工 圖 21 實驗流程圖43 3-1 實 驗 材 料 製 備 3-1-1 母 材 正 常 化 熱 處 理 D6AC 鋼材經淬火及回火熱處理程序後，可獲得 620～2000MPa 機械強 度，其優異的機械性質廣泛應用在航太及國防工業上。熱處理於本研究主 要應用在冷旋形加工前及電子束銲接製程後，其旋形前及銲接後之正常化 熱處理條件，將是影響實驗成功與否的關鍵。 本研究所使用之 D6AC 鋼材，係依 AMS 6431 規範獲得，實驗開始前， 首先將所有母材施行正常化熱處理，流程為 900℃沃斯田鐵化，並持溫 105 分鐘，隨後空冷至室溫，流程圖如圖 22 所示，目的為統一所有母材之起始 條件。 0 60 120 180 240 300 360 0 200 400 600 800 1000 溫 度 時間(min) 持溫105min 空冷至室溫 圖 22 正常化熱處理流程圖 (℃)
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3-1-2 實 驗 材 料 驗 證
本試驗所使用材料為 D6AC 超高強度低合金鋼，係依 AMS 6431 規範
獲得（經大氣融煉後真空電弧精煉而成），為確認材料的實際組合成份與比
例，將製成長寬尺寸 15mm×15mm 之試片，以感應耦合電漿原子發射光譜 儀(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy，ICP-AES)分析 其合金含量。再以 X 射線繞射儀(X-ray diffraction, XRD)與掃瞄式電子顯微 鏡(Scanning electron microscopy, SEM)附屬之能量色散 X 光譜儀(Energy dispersive x-ray spectrometry, EDS )進行成份分析，並以光學顯微鏡觀察其金 相。 3-2 旋 坯 製 備 階 段 D6AC 母材經正常化熱處理後，先透過粗車成形，在精車加工修正壁厚 製成旋胚，欲使旋胚內徑為 420mm 壁厚為 6mm、8mm 兩種規格，如表 11 與圖 23 所示。 表 11 D6AC 胚管經粗車、精車加工後之規格 類別 內徑 外徑 壁厚 長度 50%、65%用 420mm 432mm 6mm 330mm 73%用 420mm 436mm 8mm 330mm
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(a) 50%、65%減縮率用
(b) 73%減縮率用
46 3-3 流 旋 形 加 工 階 段 3-3-1 旋 形 工 具 機 台 圖 24(a)(b)所示為臥式順流旋形冷作加工機之(a)安置胚管後與(b)旋形 加工之過程，此即為本研究中實驗所採用之機台，具有旋形後使管件材料 依金屬特性而產生不同程度的加工硬化效果、控制容易、加工時間短、節 省材料等優異特性。 (a)胚管安置 (b)旋形製程 圖 24 臥式順流旋形冷作加工
47 3-3-2 試 旋 階 段 如第二章中文獻回顧所介紹關於旋形加工，影響工件旋壓加工品質之 因素主要為旋壓製程中之加工參數，以及材料本身之旋壓特性兩種，茲簡 述如下： 1. 加工參數 (1) 成形模直徑及轉速 (2) 滾輪尺寸，幾何形狀，及方向 (3) 進給(Feed) (4) 力(Force) 2. 材料特性
(1) 每一道次的減縮量(Reduction per Pass)
(2) 材料流動(Material Flow) 在初步試旋階段，以尋找 D6AC 鋼材之最佳參數為目標，將旋胚車製 成規格尺寸後，即進行第一次試旋形加工，預定在旋形加工過程中分段施 予 50％、65%及 73％旋形量如圖 25 所示，本實驗採用順流旋形加工，材料 流動與旋形加工方向相同均為圖 25 之箭頭方向，過程之詳細加工參數則如 表 12 所示，加工後管件之減縮率、璧厚等資料則見表 13，並將藉由此次試 旋結果，分析其裂縫，搭配退火熱處理，調整出適當的旋形參數，做為正 式旋形之用。
48 圖 25 50％、65％及 73%分段試旋加工示意圖 表 12 第一次試旋形加工詳細參數 滾輪幾何形狀 成形角/接觸點圓弧半徑/餘隙角 20°/R2/10°、30°/R4/10°、30°/R4/10° 主軸轉速 60 rpm 進給速率 0.7 mm/rev 成形模直徑 420mm 表 13 胚管試旋資料表 項目 加工過程 壁厚 產生破裂 旋前 旋後 0% 正常化→車製為旋坯 6mm 6mm 否 50% 正常化→車製為旋坯→旋形加工 6mm 3mm 是 65% 正常化→車製為旋坯→旋形加工 6mm 2.1mm 是 73% 正常化→車製為旋坯→旋形加工 8mm 1.6mm 是 73% 65% 50% 加工/材料流動方向
49 3-3-3 旋 形 製 程 1. 車製成旋坯後於旋前施予退火熱處理 經過初步試旋形加工後，利用掃瞄式電子顯微鏡觀察破裂面、量測硬 度，依據其獲得結果，修正加工參數、決定在母材車製成旋坯後，施予旋 形加工前，加入一道退火熱處理程序，流程為 620℃，持溫 60 分鐘，隨後 空冷至室溫如圖 26 所示，以提升材料本身之可旋性。 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 600 700 溫 度 (℃) 時間(hr) 620℃ air cooling 圖 26 退火熱處理流程圖 2. 再次試旋後參數確定，正式施行 65%旋形加工 將退火熱處理後之旋胚，採用相同加工參數如表 12 所示，再次試旋後， 無破裂之情形且管材精度良好，即採用此組參數進入 65%減縮率之正式旋 形階段。
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3-4 電 子 束 銲 接 階 段 3-4-1 試 銲 階 段
試驗設備為美國 Ferranti sciaky 製造，Power output 為 60 kV 及 120 kV
型式。旋形管件採以不加填料電子束銲接方式，並於 1.3×10-2 Pa 真空下執 行。D6AC 經由旋形冷作加工後，施以不加填料的電子束銲接。其銲接方式 為為低(120Kv)電子束熱輸入量進行銲接，以縮小改變銲道及熱影響區之顯 微結構，獲得最佳的銲接機械性質，銲接參數如表 14 所示。 表 14 試銲階段之加工參數表 組別 加速電壓 AV(Kv) 射束電流 BC(mA) 聚焦焦距 BF(mm) 夾頭走速 F(mm/min) 1 120 20 580 162 2 120 22 580 162 3 120 24 580 162 4 120 26 580 162 3-4-2 電 子 束 銲 接 階 段 經試銲階段之分析結果，將採用之正式銲接參數如表 15 所示 表 15 電子束銲接之加工參數表 加速電壓 AV(Kv) 射束電流 BC(mA) 聚焦焦距 BF(mm) 夾頭走速 F(mm/min) 120 20 580 162
51 3-4-3 電 子 束 銲 後 熱 處 理 階 段 經電子束銲接後熔融區及熱影響區易產生延遲裂縫等問題，導致銲件 強度下降，藉由銲後施以 250℃、350℃、450℃及 550℃/2 小時/空冷之應力 消除熱處理製程如圖 27，以解決延遲裂縫的問題。 圖 27 電子束銲後熱處理流程圖 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 溫 度 (℃) 時間(hr) 67%減縮率250℃ 67%減縮率350℃ 67%減縮率450℃ 67%減縮率550℃ air cooling
52 3-5 機 械 性 質 試 驗 與 分 析 階 段 3-5-1 微 硬 度 量 測 及 設 備 微硬度量測目的，主要係比較旋形加工前、後，EB 銲後及熱處理對 D6AC 硬度的影響。試片準備方式與金相觀察者相同，觀察位置係採旋形管 之管壁截面及內、外管壁層以及銲道，以獲得不同條件製程下硬度值之變 化。所使用微硬度設備為 Matsuzawa 之 MXT70。量測條件係以 300 克重量 壓下 15 秒，在試片表面以每點固定間隔，直線排列施打 70 點之微硬度量 測，以電子束銲接後之觀察為例：此施打之直線將跨越母材區、熱影響區、 熔融區、在到另一側之熱影響區、母材區，經設備內附軟體計算壓痕之兩 對角長度，換算為洛氏硬度值(HRC)，整理出其硬度之結果。 3-5-2 拉 伸 試 驗 及 設 備 試片製作區分為車製管件與旋形管件，車製管件與旋形管件拉伸試片 係沿軸向方向進行製作，如圖 28 所示。試片採用 ASTM E370 規範規格， 為提升試片製作效率、避免加工熱影響及尺寸精度，採用水刀先切割成 160×20 mm，再以線切割方式製作完成，試片尺寸如圖 29(a)、圖 29(b)所示。 拉伸試驗係以 MTS(810 Material test system)進行，試驗條件為：拉伸速率降 伏(0.2﹪Offset)前 0.2 mm/min；降伏後 2 mm/min；標距 50.8 mm 試片數為 ASTM E370 者每組至少 6 片以上。所獲得數據加以平均後運用。
53 圖 28 標準拉伸試片 ASTM E370 於管件下料配置圖 (a)旋形管標準拉伸試片尺寸圖 (b)旋形電子束銲件標準拉伸試片尺寸圖 圖 29 標準拉伸試片 ASTM E370 規範製作尺寸圖 銲道分佈情形
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試片經拉伸試驗後依據拉力與位移之關係得到應力-工程應變曲線圖， 如下圖 30[18]。
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藉由工程應力-應變曲線圖可求得一些重要參數，如比例限、彈性限、 降伏點、降伏強度、最大抗拉強度、破斷強度、藉由拉伸之形變長度計算 其延性、真應力與真應變。本研究所使用之拉伸試驗機如圖 31 所示。
56 3-5-3 金 相 觀 察 分 析 本研究將運用光學顯微鏡觀察比較旋形前、後及電子束銲接之熱影響 對 D6AC 之顯微組織，以及各種溫度下銲後回火熱處理對其金相的影響。 其試材準備係經由各種不同熱處理條件之旋形管上取下約 3 mm × 20 mm 小試片，如圖 32(a)所示。經樹脂鑲埋後，以碳化矽砂紙經不同級數至 2500 號研磨後，再以氧化鋁粉液及鑽石膏拋光至 0.05 μm，最後再以 「3%Nital 溶液」進行腐蝕後加以浸蝕出觀察面。觀察位置係採旋形管之管 壁截面及內、外管壁層。使用設備包含光學顯鏡(Optical microscopy, OM)
及掃描式電子顯微鏡（Scanning electron microscope,SEM）。觀查試片樹脂鑲
埋示意圖，如圖 32(b)所示。
(a)將拉伸試片之銲道部分切割為鑲埋尺寸
(b)銲道部分鑲埋完成後
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3-5-4 表 面 形 貌 與 成 分 分 析
在 本 研 究 中 ， 將 運 用 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning electron microscopy, SEM) 與 附 屬 之 能 量 色 散 X 光譜儀 (Energy dispersive x-ray
spectrometry, EDS )，觀察 D6AC 鋼材在經由試旋階段後產生之破裂面、電 子束焊接後、銲後回火熱處理後之拉伸破斷面等試片，分析試片表面形貌 與成分的變化，進一步探討 D6AC 之機械特性與成分。 場發射掃描式電子顯微鏡除了跟傳統掃描式電子顯微鏡相同地可觀察 物體之微結構外，它由於高電場所發射之電子束徑小，亮度高，具有傳統 掃描式電子顯微鏡所明顯不及之高解析度，其解析度可高達 1.0 nm(15 KV)、 2.2 nm(KV)，另可在低電壓(可低至 0.5 KV)下操作，具直接觀察非導體之功 能。本儀器之製造廠商及型號為日本 JEOL JSM-6700F 冷陰極(Cold Cathode) 場發射掃描式電子顯微鏡。冷陰極場發射電子槍較其他熱場發射(Thermal) 及蕭基(Schottky)電子槍而言，其優點是電子束與能量散佈相當小，且在超 高真空下操作，解析度佳。場發射掃描式電子顯微鏡實驗中之機台詳細規
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圖 33 場發射掃描式電子顯微鏡內部結構
